基于ANSYS Workbench的半軸靜力仿真分析

趙磊+包文文+馬源

摘 要：基于半浮式半軸結(jié)構(gòu)，采用ANSYS Workbench進(jìn)行受力分析，確定半軸在垂向力和扭矩復(fù)合作用下的應(yīng)力分布情況。CAD建模和CAE分析兩者的結(jié)合可縮短半軸的設(shè)計(jì)及制造成本。該方法具有普遍性，對(duì)全面提升汽車關(guān)鍵受力構(gòu)件的設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)質(zhì)量具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：半浮式半軸；CAD三維建模；ANSYS Workbench有限元分析；靜力分析

中圖分類號(hào)： U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2017）06-155-2

1 概述

半軸是介于差速器和驅(qū)動(dòng)輪之間傳遞動(dòng)力的實(shí)心軸，是傳動(dòng)系統(tǒng)的重要零部件之一。半軸內(nèi)端設(shè)置花鍵與差速器的半軸齒輪連接，外端通過(guò)凸緣與驅(qū)動(dòng)輪的輪轂相連。現(xiàn)在汽車半軸分為全浮式半軸支承和半浮式半軸支承，典型的半浮式半軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

半浮式半軸廣泛應(yīng)用在承受反力和彎矩較小的汽車上，半浮式半軸只能使半軸內(nèi)端免受彎矩，而外端則承受全部彎矩[1]。

半浮式半軸同時(shí)承受扭矩和彎矩，工作環(huán)境比較惡劣，確定其應(yīng)力分布是非常重要的，因此對(duì)半浮式半軸進(jìn)行靜力分析。應(yīng)用最廣泛的分析類型是線性靜力分析，常用于線彈性材料，靜態(tài)加載等情況。在靜態(tài)載荷作用下應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的約束，忽略對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)影響的慣性，阻尼以及質(zhì)量。

由經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的動(dòng)力學(xué)通用方程為：

2 半軸三維模型的建立

CATIA V5是IBM和法國(guó)達(dá)索公司共同研發(fā)的三維設(shè)計(jì)軟件，大量應(yīng)用在零部件建模、車身外型設(shè)計(jì)、機(jī)械加工及分析以及模擬等方面[3]。

應(yīng)遵循適當(dāng)?shù)脑瓌t和方法來(lái)建立三維實(shí)體模型：

①保證滿足模型質(zhì)量基本要求。要保證模型與實(shí)體高度吻合以及可靠性等方面。

②建模之前應(yīng)確定正確的建模順序和方法。

③建模過(guò)程中可應(yīng)用基準(zhǔn)平面等輔助建模。利用“分析”和“工具”中的有關(guān)功能及時(shí)檢查參數(shù)，避免出錯(cuò)[4]。

基于幾何模型的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。主要簡(jiǎn)化方法有：非必要的圓角可以省略；工藝結(jié)構(gòu)省略掉；非重要區(qū)域的小尺寸細(xì)節(jié)可刪除；對(duì)非危險(xiǎn)區(qū)的小尺寸細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)假設(shè)及特征簡(jiǎn)化，應(yīng)用CATIA V5軟件繪出的半軸實(shí)體模型如圖2所示。

3 半軸有限元分析

ANSYS Workbench 是新一代有限元分析環(huán)境和應(yīng)用平臺(tái)，有限元分析流程分為：建立三維模型，簡(jiǎn)化建立有限元分析模型，網(wǎng)格劃分，施加邊界條件及載荷條件，進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證有限元分析結(jié)果[5]。

3.1 網(wǎng)格劃分及材料的選取

網(wǎng)格劃分是有限元分析的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)遵循以下基本原則：

①網(wǎng)格數(shù)量：計(jì)算精度和工作量與網(wǎng)格數(shù)量的多少成正比。

②單元階次：在靜態(tài)分析中，選擇高階單元，可以提高分析精度。鑒于計(jì)算精度和工作量的關(guān)系，對(duì)應(yīng)力梯度較大的區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

③網(wǎng)格分界面和分界點(diǎn)：結(jié)構(gòu)中可分為網(wǎng)格邊界或節(jié)點(diǎn)，來(lái)定義材料屬性、載荷等約束條件。

④網(wǎng)格質(zhì)量：是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響計(jì)算精度。在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)保證網(wǎng)格質(zhì)量滿足某些指標(biāo)，在受力、力矩梯度較高處盡量細(xì)化網(wǎng)格，而在受力、力矩梯度較小的區(qū)域，可適當(dāng)降低網(wǎng)格質(zhì)量。

⑤網(wǎng)格疏密：網(wǎng)格疏密是指為了適應(yīng)計(jì)算分析而在結(jié)構(gòu)的不同部位采用大小不同的網(wǎng)格。為了提高計(jì)算精度，在應(yīng)力集中的部位，采用密集的網(wǎng)格劃分。而在非重要部位適當(dāng)?shù)貏澐窒鄬?duì)稀疏的網(wǎng)格。

⑥位移協(xié)調(diào)性：是指通過(guò)單元節(jié)點(diǎn)傳遞單元上的力和力矩。一個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)同時(shí)也是相鄰單元的節(jié)點(diǎn)，相鄰單元包含的節(jié)點(diǎn)具有相同的自由度。采用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格對(duì)半軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分足以滿足要求，單元尺寸選取為0.5mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果共有1319020個(gè)節(jié)點(diǎn)，773456個(gè)單元。

本文半浮式半軸的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，壓縮屈服強(qiáng)度為250MPa；拉伸屈服強(qiáng)度為250MPa；抗拉極限強(qiáng)度460MPa。表1列舉了汽車的各項(xiàng)參數(shù)，可計(jì)算出載荷，扭矩等數(shù)據(jù)。

有限元計(jì)算首先將實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，離散為若干個(gè)單元，各單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連，然后通過(guò)計(jì)算施加在節(jié)點(diǎn)上的約束和載荷完成有限元計(jì)算。

3.2 載荷加載及有限元分析

分別在內(nèi)端花鍵端面和外端凸緣端面添加固定約束，在內(nèi)端花鍵根部的支承處，即花鍵齒與半軸基體的過(guò)渡部分添加扭矩。在外端軸承處添加垂向力，經(jīng)計(jì)算得扭矩為280N·m，最大垂向力為14375N。最終加載如圖3所示。

4 結(jié)論

在ANSYS Workbench環(huán)境下對(duì)半浮式半軸進(jìn)行線性靜力分析，得到了應(yīng)變及應(yīng)力分布。從結(jié)果可以得出該半軸的彎扭復(fù)合應(yīng)力滿足許用彎曲應(yīng)力的要求，其最大變形符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本文在建模和加載的過(guò)程中，做出了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，分析結(jié)果有一定的誤差，但影響可以忽略。因此，該有限元仿真分析結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)開發(fā)的有效參考，以縮短開發(fā)周期降低成本。半軸工作環(huán)境復(fù)雜多變，要完全切合實(shí)際的進(jìn)行產(chǎn)品制造，還需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（下）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：151-153.

[2] 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2013：165-167.

[3] 梁科，任燕.CATIA V5在汽車模具運(yùn)動(dòng)仿真的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2015（5）：207-208.

[4] 王吉忠，沙德文，劉成極，等. 基于UG軟件的鼓式制動(dòng)器三維建模與裝配[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（2）：171-173.

[5] 王金杰.載貨車驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].山東：山東理工大學(xué)，2010.